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可以在不同层次研究化学反应：在单个原子和分子的层次上 ， 可以设计新的化合物 。 在纳米和微米尺度的微小颗粒水平上 ， 人们可以理解催化剂材料如何影响化学反应 。 现在可以连接从微观到宏观的所有层次 ， 以描述现实条件下技术上重要的化学反应 。 可以在不同层次研究化学反应：在单个原子和分子的层次上 ， 可以设计新的化合物 。 在纳米和微米尺度的微小颗粒水平上 ， 人们可以理解催化剂材料如何影响化学反应 。 而要在工业中使用化学反应 ， 就必须着眼于宏观尺度 。 通常 ， 每个区域使用不同的方法 。 但这对于催化剂表面上的复杂化学反应是不够的 。 在维也纳 ， 现在已经迈出了重要的一步：第一次可以连接从微观到宏观的所有层次 ， 以描述现实条件下的技术上重要的化学反应 。 这可以理解为什么催化剂颗粒的大小起决定性作用 。 该结果现已发表在科学杂志《自然通讯》上 。
许多分子有不同的变体：同一组原子可以以不同的方式排列 ， 然后被称为“异构体” 。 区分这些异构体很重要 ， 例如 ， 碳氢化合物丁烯的某种异构体有利于燃料生产 ， 但另一种丁烯变体更适合聚合物制造 。 精确生产所需的异构体或将一种异构体转化为另一种异构体是一项棘手的任务 ， 可以使用非常特殊的催化剂来完成 。 “这种过程的一种特别重要的催化剂是钯 ， ”专家说 。 “通常 ， 钯以微小纳米晶体的形式放置在表面上 。 然后某些分子与这些颗粒结合 ， 这使得化学反应成为可能 。 ”众所周知 ， 粒径对于特定的催化功能通常至关重要 ， 但大多数情况下 ， 还没有详细说明其工作原理 。 “在计算机上创建这些粒子的完整量子化学模型是不可能的 ， 因为它们只是由太多的原子组成 ， ”专家说 。 “因此 ， 我们必须找到替代方法来结合不同的方法来研究化学催化 。 ”
研究人员来进行研究：烯烃的异构化 。 “这特别具有挑战性 ， 因为有几种反应途径同时发挥作用 ， ”他们说 。 “对我们来说 ， 在现实条件下研究反应很重要：在以前的基础研究中 ， 反应通常在高真空、低温下进行分析 。 但在工业环境中 ， 您必须处理完全不同的参数 。 因此 ， 我们想了解这种异构化是如何在大气压和 100°C 下发生的 。 ”该团队从原子和分子水平开始：“借助密度泛函理论 ， 我们可以模拟附着在钯晶体各个方面的分子的基本反应步骤 ， ”专家说 。
这些计算产生了所谓的微动力学模型的参数 ， 可用于在计算机上预测更大时间尺度上的化学反应动力学 。 反过来 ， 从这些结果中 ， 可以推断出在特定参数下特定时间后将出现的所需化学产品的总量 。 “模型计算与我们的实验测量结果非常吻合 ， 不仅在定性上而且在定量上 ， ”专家教授强调说 。 “这是一个重要的突破 ， 以前不可能达成这样的协议 。 ” 现在可以详细解释为什么不同尺寸的钯颗粒对化学过程有不同的影响：大颗粒表面光滑 ， 而小颗粒更圆且阶梯状 。 不同几何形状中钯原子的排列会影响反应能 ， 从而影响催化行为 。
【可调谐催化：解决粒径难题】“当您优化工业中的化学过程时 ， 您通常不得不依靠反复试验 ， ”专家说 。 “应该选择哪些外部参数？你使用哪些催化剂 ， 以及以什么形式？这些问题直到现在还很难在理论层面上得到回答 。 ” 通常会测试多个变体 ， 然后选择最成功的一个 。 但是 ， 如果一个过程要从实验室规模扩大到工业规模 ， 则可能需要完全不同的参数 。 “我们现在已经表明 ， 如果你将多个时间和长度尺度联系起来 ， 你就可以全面理解这些过程 ， ”亚历山大·杰内斯特说 。 “这种方法当然也适用于许多其他催化反应 。 ” 因此 ， 在化学工业中 ， 应该可以通过计算机建模优化化学制造过程 ， 同时将昂贵且耗时的基准测试降至最低 。
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